Ontwerpvoorstel voor het optimaliseren van zonne-energiesystemen

Een nieuwere benadering om de efficiëntie en betrouwbaarheid van zonnesystemen te optimaliseren, is het gebruik van micro-omvormers die op elk zonnepaneel zijn aangesloten.
Uitgerust met een afzonderlijke micro-omvormer voor elk zonnepaneel, kan het systeem worden aangepast aan veranderende belasting- en weersomstandigheden, voor een optimale conversie-efficiëntie voor een enkel paneel en het hele systeem.
  
   
De micro-omvormerarchitectuur vereenvoudigt ook de bekabeling, wat lagere installatiekosten betekent.
  
   
Door het zonne-energieopwekkingssysteem van de consument efficiënter te maken, zal de tijd die het kost om het systeem de initiële investering in zonnetechnologie terug te trekken, worden verminderd.
  
Stroomomvormers zijn belangrijke elektronische componenten van zonne-energiesystemen. In commerciële toepassingen verbinden deze componenten fotovoltaïsche panelen (PV), batterijen die elektrische energie opslaan en lokale stroomdistributiesystemen of elektriciteitsnetten.
Afbeelding 1 toont een typische omvormer voor zonne-energie die zeer lage DC-spanningen omzet van de uitvoer van de PV-array naar verschillende spanningen, zoals de DC-spanning van de accu, de netspanning en de spanning van het distributienet.
  
   
In een typisch zonne-energie-oogstsysteem zijn meerdere zonnepanelen parallel aangesloten op een omvormer die de variabele DC-uitgang van meerdere fotovoltaïsche cellen omzet in een zuivere 50 Hz of 60 Hz sinusomvormer.
  
   
  
  
Bovendien moet worden opgemerkt dat de microcontroller (MCU) -module TMS320C2000 of MSP430 in figuur 1 typisch belangrijke on-chip randapparatuur bevat, zoals pulsbreedtemodulatie (PWM) modules en A / D-omzetters.
  
  
  
   
Figuur 1: De traditionele stroomconversiearchitectuur bestaat uit een omvormer voor zonne-energie die een lage DC-uitgangsspanning van de PV-generator ontvangt en een AC-lijnspanning produceert.
  
Het belangrijkste doel van het ontwerp is om de conversie-efficiëntie te maximaliseren.
Dit is een complex en iteratief proces met betrekking tot het Maximum Power Point Tracking Algoritme (MPPT) en een real-time controller die de bijbehorende algoritmen uitvoert.
  
   
1 Maximaliseer de efficiëntie van de stroomomzetting
  
Omvormers die het MPPT-algoritme niet gebruiken, verbinden de PV-module eenvoudigweg rechtstreeks met de batterij, waardoor de PV-module gedwongen wordt om op de batterijspanning te werken.
  
  
Bijna zonder uitzondering is accuspanning niet de ideale waarde voor het verzamelen van de meest beschikbare zonne-energie.
  
  
  
Figuur 2 illustreert de typische stroom / spanningskarakteristieken van een typische 75 W PV-module bij een 25 ° C batterijtemperatuur.
De stippellijn toont de verhouding van spanning (PV VOLTS) tot vermogen (PV WATTS).
  
De ononderbroken lijn geeft de verhouding van spanning tot stroom (PV AMPS) aan. Zoals weergegeven in figuur 2, bij 12V, is het uitgangsvermogen ongeveer 53W.
Met andere woorden, door de fotovoltaïsche module te dwingen om op 12V te werken, is het uitgangsvermogen beperkt tot ongeveer 53W.
  
Maar met het MPPT-algoritme is de situatie radicaal veranderd. In dit voorbeeld is de spanning waarbij de module maximaal uitgangsvermogen kan bereiken 17V.
Daarom is het de taak van het MPPT-algoritme om de module op 17V te laten werken, zodat alle 75W aan vermogen van de module kan worden verkregen, ongeacht de accuspanning.
  
De hoog-efficiënte DC / DC-stroomomvormer zet de 17V-spanning aan de ingang van de controller om naar de batterijspanning aan de uitgang.
Aangezien de DC / DC-converter de spanning van 17V naar 12V verlaagt, is de laadstroom van de batterij in het systeem dat de MPPT-functie ondersteunt, in dit geval:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, of (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
Ervan uitgaande dat de conversie-efficiëntie van de DC / DC-omzetter 100% is, zal de laadstroom toenemen met 1,85 A (of 42%).
  
Hoewel in dit voorbeeld wordt aangenomen dat de omvormer energie van een enkel zonnepaneel verwerkt, hebben conventionele systemen meestal één omvormer die op meerdere panelen is aangesloten.
Deze topologie heeft zowel voordelen als nadelen, afhankelijk van de toepassing.
  
   
2 MPPT-algoritme
  
Er zijn drie hoofdtypen MPPT-algoritmen: stoorobservatie, geleidingsverhoging en constante spanning.
De eerste twee methoden worden vaak 'klimmen' genoemd omdat ze zijn gebaseerd op de volgende feiten:
  
   
Aan de linkerkant van de MPP is de curve in opkomst (dP / dV) 0), terwijl aan de rechterkant van de MPP de curve lager is (dP / dV "0").
  
De Disturbance-Observation (P & O) -methode wordt het meest gebruikt. Het algoritme verstoort de bedrijfsspanning in een bepaalde richting en meet dP / dV. Als dP / dV positief is, 'begrijpt' het algoritme dat het alleen de spanning naar de MPP aan het aanpassen was.
Dan zal het de spanning altijd in deze richting aanpassen totdat dP / dV negatief wordt.
  
P & O-algoritmen zijn eenvoudig te implementeren, maar in stationaire modus oscilleren ze soms rond de MPP.
En hun reactiesnelheid is traag en zelfs in snel veranderende weersomstandigheden is het mogelijk om de richting om te keren.
  
De Conductance Increment (INC) -methode gebruikt de geleidingsstapel dI / dV van de PV-array om het positieve en negatieve van dP / dV te berekenen. INC kan snel veranderende lichtblootstellingen nauwkeuriger volgen dan P & O. Maar net als P * O kan het ook oscilleren en 'bedrogen' worden door snel veranderende atmosferische omstandigheden.
Een ander nadeel is dat de extra complexiteit de rekentijd verhoogt en de bemonsteringsfrequentie vermindert.
  
De derde methode, "Constant Voltage Method", is gebaseerd op de volgende feiten: Over het algemeen VMPP / VOC0.76. Het probleem met deze methode is dat deze onmiddellijk de stroom van de PV-array op nul moet stellen om de nullastspanning van de array te meten. Vervolgens wordt de bedrijfsspanning van de array ingesteld op 76% van de gemeten waarde. Tijdens het ontkoppelen van de array wordt echter de beschikbare energie verspild.
Er is ook gevonden dat hoewel 76% van de nullastspanning een goede benadering is, deze niet altijd consistent is met MPP.
  
Aangezien geen enkel MPPT-algoritme met succes aan alle gebruikelijke gebruikseisen kan voldoen, zullen veel ontwerpingenieurs het systeem eerst de omgevingscondities laten evalueren en vervolgens het algoritme selecteren dat het beste past bij de huidige omgevingsomstandigheden.
In feite zijn er veel MPPT-algoritmen beschikbaar en het is niet ongebruikelijk dat fabrikanten van zonnepanelen hun eigen algoritmen leveren.
  
   
Voor goedkope controllers is het uitvoeren van het MPPT-algoritme, naast de normale besturingsfuncties van de MCU, geen gemakkelijke taak. Het algoritme vereist dat deze controllers superieure rekenkracht hebben.
  
   
Geavanceerde 32-bits real-time microcontrollers zoals de Texas Instruments C2000-platformfamilie zijn geschikt voor een verscheidenheid aan zonne-energie toepassingen.
  
   
3 omvormer
  
Het gebruik van één omvormer heeft veel voordelen, waarvan de meest prominente eenvoud en lage kosten zijn. De efficiëntie van het enkele omvormersysteem is verbeterd met het MPPT-algoritme en andere technieken, maar slechts tot op zekere hoogte. De nadelen van een enkele inverter-topologie kunnen variëren, afhankelijk van de toepassing.
Het meest prominent is het betrouwbaarheidsprobleem: zolang de omvormer uitvalt, wordt de energie die door alle panelen wordt gegenereerd, verspild voordat de omvormer wordt gerepareerd of vervangen.
  
Zelfs als de omvormer correct werkt, kan een enkele inverter-topologie een negatief effect hebben op de systeemefficiëntie. In de meeste gevallen heeft elk zonnepaneel verschillende controlevereisten voor maximale efficiëntie.
Factoren die de efficiëntie van elk paneel bepalen, zijn: verschillen in de productie van fotovoltaïsche modules in het paneel, verschillende omgevingstemperaturen, schaduwen en azimuts met verschillende lichtintensiteiten (ontvangen zonne-energie).
  
Vergeleken met het gebruik van een omvormer in het gehele systeem, zal de levering van een micro-omvormer voor elk zonnepaneel in het systeem opnieuw de conversie-efficiëntie van het gehele systeem verhogen.
Het belangrijkste voordeel van de micro-omvormer-topologie is dat zelfs als een van de omvormers uitvalt, de energieconversie nog steeds kan plaatsvinden.
  
Andere voordelen van het gebruik van een micro-omvormer omvatten de mogelijkheid om de conversieparameters van elk zonnepaneel aan te passen met behulp van PWM met hoge resolutie. Omdat wolken, schaduwen en schaduwen de uitvoer van elk paneel wijzigen, biedt elk paneel met een unieke micro-omvormer het systeem de mogelijkheid zich aan te passen aan veranderende belastingscondities.
Dit biedt de beste conversie-efficiëntie voor elk paneel en het hele systeem.
  
De architectuur van de micro-omvormer vereist dat elk paneel een speciale MCU heeft om energieconversie te beheren.
Deze extra MCU's kunnen echter ook worden gebruikt om systeem- en paneelmonitoring te verbeteren.
  
Grote zonnepanelen profiteren bijvoorbeeld van communicatie tussen panelen om te helpen bij het in balans houden van de belasting en systeembeheerders in staat te stellen vooraf te plannen hoeveel energie beschikbaar is en wat ze met die energie moeten doen.
Om echter ten volle te profiteren van de voordelen van systeemmonitoring, moet de MCU on-chip-communicatie-randapparatuur (CAN, SPI, UART, enz.) Integreren om de koppeling met andere micro-omvormers in de zonnepanelen te vereenvoudigen.
  
In veel toepassingen kan het gebruik van een micro-inverter-topologie de algehele systeemefficiëntie aanzienlijk verhogen. Op paneelniveau wordt verwacht dat de efficiëntie met 30% zal toenemen.
Vanwege de grote variatie in applicaties is het 'gemiddelde' percentage verbeteringen op systeemniveau echter niet erg logisch.
  
   
Applicatieanalyse Bij het schatten van de waarde van een micro-frequentieomvormer in een specifieke toepassing, moet de topologie op verschillende manieren worden beschouwd.
  
In kleine toepassingen kunnen panelen in wezen dezelfde belichting-, temperatuur- en schaduwomstandigheden ondergaan.
Daarom hebben micro-omvormers een beperkte rol bij het verbeteren van de efficiëntie.
  
Om de panelen met verschillende spanningen te gebruiken voor maximale energie-efficiëntie, is een DC / DC-omzetter nodig om de uitgangsspanning van elk paneel te verenigen met de bedrijfsspanning van de energieopslagbatterij. Om de productiekosten te minimaliseren, kunnen de DC / DC-omzetter en omvormer worden ontworpen als een enkele module.
Een DC / AC-omzetter voor de lokale elektriciteitsleiding of het distributienet kan ook in de module worden geïntegreerd.
  
Zonnepanelen moeten met elkaar communiceren, wat draden en complexiteit toevoegt.
Dit is een ander probleem voor het opnemen van inverters, DC / DC-converters en zonnepanelen in de module.
  
   
De MCU van elke omvormer moet nog steeds voldoende capaciteit hebben om meerdere MPPT-algoritmen uit te voeren voor verschillende bedrijfsomgevingen.
  
   
Het gebruik van meerdere MCU's verhoogt de materiaalkosten van het totale systeem.
  
Telkens wanneer u overweegt de architectuur te wijzigen, let u op de kosten ervan.
Om aan het prijsdoel van het systeem te voldoen, betekent het hebben van één controller per paneel dat de kosten van de controller concurrerend en klein moeten zijn, maar nog steeds alle controle-, communicatie- en computertaken tegelijkertijd verwerken.
  
Het integreren van de juiste besturingsrandapparatuur op de chip en de hoge analoge integratie zijn twee fundamentele elementen om te zorgen voor lage systeemkosten.
Hoge prestaties zijn ook vereist om algoritmen te implementeren die zijn ontwikkeld voor efficiëntie bij het optimaliseren van conversie, systeemmonitoring en energieopslag.
  
Naast het voldoen aan de vereisten van de micro-omvormer zelf, kan deze ook omgaan met MCU's die het grootste deel van het volledige systeem vereisen, inclusief AC / DC-conversie, DC / DC-conversie en communicatie tussen de panelen, waardoor de kosten van het gebruik van meerdere MCU's worden verlaagd .
toenemen.
  
   
4 MCU-functies
  
Een zorgvuldige afweging van deze vereisten op hoog niveau is de beste manier om te bepalen welke functies een MCU nodig heeft. Controle van de belastingsverdeling is bijvoorbeeld vereist bij het vergelijken van panelen. De geselecteerde MCU moet in staat zijn om de belastingstroom te detecteren en kan de uitgangsspanning verhogen of verlagen door de uitgang MOSFET aan / uit te zetten.
Dit vereist een ADC met hoge snelheid op de chip om spanning en stroom te bemonsteren.
  
Het ontwerp van de micro-omvormer heeft geen 'ongewijzigde' modus. Dit betekent dat ontwerpers innovatief en in staat moeten zijn om nieuwe technieken en technologieën toe te passen, vooral in de communicatie tussen panelen en systemen. De meest geschikte MCU moet verschillende protocollen ondersteunen, waaronder enkele die normaal niet worden bedacht, zoals Power Line Communications (PLC) en Controller Area Network (CAN). In het bijzonder kan hoogspanningsverbinding de systeemkosten verlagen omdat er geen speciale communicatielijnen nodig zijn.
Maar dit vereist dat de MCU beschikt over ingebouwde krachtige PWM, snelle ADC en krachtige CPU.
  
Een onverwachte maar waardevolle functie voor MCU's die zijn ontworpen voor toepassingen met zonne-omvormers, is de dubbele on-chip oscillator, die kan worden gebruikt voor het detecteren van klokfouten om de betrouwbaarheid te verbeteren.
De mogelijkheid om tegelijkertijd twee systeemklokken te gebruiken, helpt ook om problemen met de installatie van zonnepanelen te verminderen.
  
Vanwege de vele innovaties in het ontwerp van zonne-micro-omvormers, is misschien wel de belangrijkste functie voor MCU's softwareprogrammering.
Deze functie biedt u de hoogste flexibiliteit in ontwerp en besturing van het stroomcircuit.
  
De C2000-microcontroller is uitgerust met een geavanceerde digitale verwerkingskern die op efficiënte wijze algoritmische bewerkingen en een on-chip perifere set voor energieconversiebesturing verwerkt, en wordt veel gebruikt in traditionele topologieën voor omroepen van zonnepanelen. De nieuwe Piccolo-reeks microcontrollers uit de C2000-serie is economisch. Het kleinste pakket in deze familie is slechts 38 pinnen, maar de architectuur is geavanceerder en de randapparatuur is verbeterd, waardoor de voordelen van 32-bits realtime-besturing aan lage eisen voldoen.
Toepassingen zoals micro-omvormers voor totale systeemkosten.
  
Bovendien integreert de Piccolo MCU-familie twee on-chip 10 MHz oscillatoren voor klokvergelijking, on-chip VREG met power-on reset en power-down bescherming, meerdere hoge resolutie 150 pps PWM en een 12-bit 4.6
  
  
Megasample / tweede ADC en communicatieprotocol-interfaces zoals I2C (PMBus), CAN, SPI en UART.
  
  
  
   
Figuur 3: Het MCU-systeem voor micro-inverter PV-gebaseerde systemen bestaat uit CPU, geheugen, voeding en klok, randapparatuur.
  
Prestaties zijn een belangrijk kenmerk van micro-omvormers. Hoewel de Piccolo-familie van apparaten kleiner en minder duur is dan andere C2000 MCU's, is de functionaliteit ervan verbeterd, zoals de programmeerbare drijvende-kommacontrole van de wet (CLA), die complexe algoritmes voor snelle CPU's verwerkt.
Dit elimineert de noodzaak voor de CPU om I / O- en feedbackloops af te handelen en kan de prestaties met een factor 5 in closed-loop-applicaties verbeteren.
  
   
5 Fotovoltaïsche batterijuitdagingen
  
Een van de nadelen van systemen voor het opwekken van zonne-energie is de conversie-efficiëntie. Zonnepanelen kunnen gemiddeld ongeveer 1 mW uit elke 100 mm2 fotovoltaïsche cellen halen. De typische efficiëntie is ongeveer 10%.
De vermogensfactor van de fotovoltaïsche energiebron (dwz de verhouding van de gemiddelde elektrische energie die daadwerkelijk door de zonnecel wordt geproduceerd tot de theoretisch opgewekte elektrische energie onder de voorwaarde dat het zonlicht altijd wordt belicht) is ongeveer 15% tot 20%.
  
   
Daar zijn een aantal redenen voor, waaronder veranderingen in de zon zelf, zoals volledige verdwijning 's nachts, en zelfs overdag resulteren schaduwen en weersomstandigheden vaak in minder licht.
  
Foto-elektrische conversie introduceert meer variabelen in de efficiëntieberekening, inclusief de temperatuur van het zonnepaneel en de theoretische piekefficiëntie. Een ander probleem voor ontwerpingenieurs is dat de door de fotovoltaïsche cel opgewekte spanning onregelmatig varieert met ongeveer 0,5V. Deze verandering kan een serieuze impact hebben bij het kiezen van een energieconversietopologie.
Voor inefficiënte energieconversietechnologie is het bijvoorbeeld mogelijk om een groot deel van de verzamelde fotovoltaïsche energie te verbruiken.
  
Om tegemoet te komen aan het feit dat de zon niet 24 uur per dag verlicht is, moeten systemen op zonne-energie batterijen bevatten en de complexe elektronica die nodig is om batterijen efficiënt op te laden.
Wanneer de batterij in het systeem is geïntegreerd, vereist het opladen van de batterij extra DC / DC-conversiecircuits terwijl ook batterijbeheer en -bewaking vereist zijn.
  
Veel systemen op zonne-energie zijn ook verbonden met het elektriciteitsnet, waardoor fasesynchronisatie en correctie van de arbeidsfactor nodig zijn. Er zijn ook veel omgevingen die complexe controles vereisen. Er moet bijvoorbeeld een mechanisme voor foutwaarschuwingen worden ingebouwd om gebeurtenissen zoals stroomuitval in het openbare net te voorkomen. Dit zijn slechts de top dingen die ingenieurs moeten overwegen.